Download - A. TEORI RESEPTOR - · PDF filedalam perkembangan farmakologi reseptor sebagai dasar kerja reseptor (aktivasi reseptor) yang dipisahkan dari kerja jaringan dalam aktifitas fisiologis

Farmakologi Molekular_Model Molekular Interaksi Obat-Reseptor

A. TEORI RESEPTOR

Sepanjang sejarah pengobatan, dokter dan ilmuwan sangat tertarik akan keajaiban

obat, dimana suatu senyawa dalam waktu yang singkat dapat menghasilkan perubahan yang

radikal dalam tingkah laku dan kesehatan manusia. Konsep reseptor telah tersirat sepanjang

sejarah. Pada tahun 1685, Robert Boyle mengusulkan bahwa untuk bagian tubuh yang

berbeda memiliki tekstur yang berbeda pula, sehingga ikatan substansinya pun akan berbeda;

gagasan tersebut menjadi dasar timbulnya interaksi obat-reseptor.

Konsep reseptor merupakan rancangan dua ahli fisiologi terkenal, John Newport

Langley dan Paul Ehrlich. Pusat studi independen mereka telah memberikan konsep

ketergantungan aksi fisiologi pada struktur kimia. Pada tahun 1987, seorang mahasiswa di

Cambridge yang bernama Langley menerangkan antagonis pilokarpin oleh atropin. Dalam

makalah yang dipublikasikan pada 1878, Langley membayangkan konsep reseptor

“....terdapat satu atau beberapa bahan pada ujung saraf atau kelenjar sel dimana atropin dan

pilokarpin mampu membentuk suatu campuran”.

Pada tahun yang sama, Paul Ehrlich telah lulus dari Universitas Leipzig dan dalam

tesisnya mengenai pewarnaan jaringan tubuh dia menyarankan bahwa warna adalah hasil dari

interaksi kimia diantara dua komponen. Dalam pekerjaannya tentang immunisasi

“penerimaan rantai samping”, dimana Ehrlich telah membaca hasil penelitian Emil Fischer

yang telah merumuskan teori aksi enzim sehingga dia mengusulkan bahwa rantai samping

berinteraksi dengan toksin seperti kunci dan anak kunci. Gagasan ini menjadi petunjuk pada

pekerjaan besarnya dalam bidang kemoterapi.

Mahasiswa Universitas Cambridge A.J.Clark, merupakan orang pertama yang

mengaplikasikan dasar-dasar matematika pada teori reseptor obat. Beliau telah mempelajari

efek asetilkolin pada berbagai macam jaringan yang telah diisolasi dan menuliskan hubungan

antara konsentrasi obat dan respon yang berhubungan erat dengan persamaan berikut:

K.x = y/(100-y) [1]

Dimana x adalah konsentrasi obat dan y adalah persentase respon maksimal dari obat.

Penyusunan kembali Persamaan 1 menunjukkan bentuk familiar dari adsorpsi isoterm

Langmuir:

⁄ [2]

Pada tahun 1937, Clark mempublikasikan sebuah buku yang berisi teori interaksi obat

dan reseptor. Akan tetapi masalah utama pada waktu ini adalah kurangnya pengetahuan


mengenai hubungan antara kedudukan reseptor dan respon jaringan, sehingga Clark membuat

asumsi sederhana dalam bukunya tersebut, yaitu:

Respon maksimal suatu obat (Em) merupakan respon maksimal pada jaringan

Respon jaringan fraksional (EA/Em) sebanding dengan kedudukan reseptor fraksional

([A.R]/[Rt])

Di bawah ini merupakan persamaan yang menggambarkan respon suatu obat A dalam

jaringan yang dijelaskan oleh Clark:

, -

, - , -

, - [3]

Dimana KA adalah konstanta disosiasi kompleks obat-reseptor. Clark menyadari bahwa

hubungan antara kedudukan reseptor oleh obat dan respon tidak selalu linear, maka keadaan

yang digambarkan pada Persamaan 3 sangatlah terbatas.

Pengaruh dari gagasan Langley dan Ehrlich dan juga gagasan Clark telah terbatasi

pada waktunya sendiri karena keterkaitan mereka dengan konsep molekuler yang tidak dapat

diuji secara eksperimental. Dan konsep ini tergantikan dengan konsep pengujian biologis

(bioassay), yaitu pengukuran secara kuantitatif dari efek obat dalam sistem biologis yang

utuh. Konsep bioassay ini dipelopori oleh Sir John Gaddum, Sir Hanry Dale dan Harold

Bum.

Prasyarat utama pada pengujian biologis adalah sistem pengukuran yang stabil. Alat

utama untuk farmakologi kuantitatif adalah isolasi jaringan, dimana organ secara keseluruhan

ditempatkan dalam wadah yang telah dipanaskan, lalu diinkubasi dengan larutan garam

fisiologis, dijaga pada pH fisiologis, dan dialiri oksigen seperti kondisi dalam tubuh

organisme.

Skema sistem pengujian fungsi organ melalui isolasi jaringan dapat dilihat pada

Gambar 1. Jaringan ditempatkan dalam heated organ bath, dan fungsi organ (seperti

kontraksi) direkam pada alat yang sederhana yang disebut kymograph yang terdiri dari

pengungkit dimana ujung yang satu terikat pada jaringan dan yang lain pada pen yang dipres

pada smoke rotating drum dengan gravitasi. Jika jaringan berkontraksi, secara spontan atau

karena respon obat, pengungkit tertarik ke atas dan hasilnya tercatat. Bioassay

memungkinkan ahli farmakologi untuk melakukan studi tentang efek dari perubahan struktur

kimia dari aktifitas biologi. Hal ini penting untuk rekonstruksi dari teori reseptor untuk

mengakomodasi interaksi obat dengan reseptor. Dengan melihat sejumlah efek obat

menggunakan bioassay, ahli farmakologi memulai dialog dengan ahli kimia medisinal untuk

memperbaiki aktivitas dari bahan aktif biologi yang telah diketahui. Pada Gambar 2,


memperlihatkan hubungan struktur aktifitas untuk beberapa katekolamin yang menghasilkan

relaksasi pada otot trakea untuk penggunaan pada terapi asma.

Gambar 1. Skema menggambarkan sistem pencucian organ untuk isolasi jaringan. Jaringan dicuci dalam

heated phisiologic fluid yang mengandung nutrien dan oksigen pada pH yang disyaratkan. Kontraksi dan

relaksasi dari jaringan direkam pada alat kymograph.

Dengan menghitung efek obat menggunakan pengujian biologis (bioassay) seorang

ahli farmakologi dapat memulai dialog dengan seorang ahli kimia medisinal untuk

meningkatkan aktivitas pada bahan aktif biologis yang telah diketahui, sehingga ilmu

pencarian obat pun lahir. Salah satu contoh hubungan struktur dan aktivitas farmakologis

diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Hubungan struktur dan aktivitas ketokolamin yang menghasilkan relaksasi pada trachea tikus. Dapat

dilihat dari gambar bahwa perbedaan substituen R pada gugus amino menghasilkan peningkatan bronkodilasi

Saat ini, pencarian interaksi obat dan reseptor telah berada pada tahapan yang lebih

dalam. Pengukuran yang relatif akurat pada respon obat dapat dilakukan dan hasilnya

dibandingkan dengan teori yang ditetapkan oleh Clark. Kasus pertama dari pemilihan ini

adalah asumsi bahwa respon jaringan berbanding lurus dengan konsentrasi obat. Untuk

menjelaskan perbedaan itu, E.J Ariens memperkenalkan faktor proporsionalitas, dimana

konstanta ini digunakan untuk memperhitungkan fakta bahwa beberapa agonis menghasilkan


respon maksimal yang berada di bawah respons maksimum agonis lainnya. Ia menyebut

konstanta proporsionalitas sebagai aktivitas intrinsik (ditunjukkan α), pencantuman istilah ini

memberikan persamaan bahwa efek suatu obat memenuhi persamaan berikut:

, -

, - , -

, - [4]

Skala untuk α adalah satuan unit, dimana nilai 1 untuk agonis penuh dan 0 untuk

antagonis yang tidak menghasilkan respon jaringan secara langsung. Bila nilai α adalah 0,4

berarti bahwa agonis dapat menghasilkan 40% dari respon maksimal jaringan (agonis

parsial). Oleh karena itu, dalam perjalanan membuat model efek obat lebih berhubungan erat

dengan hasil percobaan dan ini masih belum menjadi ketetapan untuk observasi beberapa

agonis yang menghasilkan respon maksimal dalam nilai yang sangat rendah pada

pendudukan reseptor (misalnya 90% respon maksimal akan ditingkatkan untuk obat dimana

yang masih memiliki kedudukan hanya 5% atau 10% pada reseptor).

Seorang ahli farmakologis Inggris, R.P.Stephenson memperkenalkan istilah stimulus

dan mengusulkan bahwa obat yang dihasilkan oleh stimulus/rangsangan sesuai dengan

persamaan berikut:

, -

, - [5]

Dimana e merupakan konstanta proporsional yang disebut efficacy. Kekuatan pendekatan ini

terjadi pada respon jaringan, sparameter eksperimental yang diobservasi menjelaskan suatu

fungsi monotonik pada stimulus:

( ) 0

, -

, - 1 [6]

Fungsi monotonik yang diberi nama hubungan stimulus respon. Ini sangat penting

dalam perkembangan farmakologi reseptor sebagai dasar kerja reseptor (aktivasi reseptor)

yang dipisahkan dari kerja jaringan dalam aktifitas fisiologis. Gambar 3, menggambarkan

kedudukan reseptor suatu obat dapat didefenisikan pada sumbu absis pada kurva hubungan

stimulus dan respon, dan proses tersebut dikontrol oleh jumlah respon jaringan yang

diperoleh dari tingkat kedudukan reseptor. Pemisahan ikatan obat reseptor dan hasil respon

fisiologis menjadi dasar untuk perkembangan konsep teori reseptor.


Gambar 3. Hubungan kedudukan reseptor dan respon jaringan yang didefenisikan oleh Stephenson.

Pendudukan reseptor oleh agonis menghasilkan sejumlah stimulus.

B. TWO STATE TEORY

Two state teory adalah model sederhana untuk dapat mendeskripsikan interaksi antara

obat dengan reseptornya. Teori tersebut menggunakan tetapan disosiasi untuk menjelaskan

hubungan antara ligan dengan reseptor. Terikatnya ligan menghasilkan perubahan bentuk

reseptor dari inaktif menjadi aktif berdasarkan konformasinya. Reseptor yang aktif tersebut

pada akhirnya akan menghasilkan respon biologis.

(http://en.wikipedia.org/wiki/Receptor_theory).

Dua ide utama yang merevolusi teori reseptor terjadi pada tahun setelah Stephenson

menyajikan tentang efikasi dan stimulus. Gagasan pertama datang dari studi tentang kanal

ion. Secara umum, studi tentang interaksi obat dengan konformasi yang berbeda dari protein

yang sama terhambat oleh tersedianya metode pengujian yang cukup bisa membedakan

antara masing-masing kompleks obat dan perbedaan konformasi obat. Namun, hal tersebut

menjadi mungkin untuk beberapa kanal ion karena salah satu konformasinya adalah kanal ion

terbuka yang memungkinkan terjadinya aliran ion, dan konformasi yang lainnya adalah kanal

ion tertutup. Sehingga dapat digunakan sistem assay untuk membedakan kedua keadaan

protein tersebut . (1)

Pada dasarnya kanal ion adalah suatu protein membran yang terdapat pada lapisan

lipid membran sel.ia terdiri dari beberapa sub-unit protein yang tersusun membentuk porus.

Kanal ion umumnya bersifat spesifik terhadap ion tertentu, artinya hanya dapat dilewati atau

memiliki afinitas terhadap ion-ion tertentu saja, seperti kanal ion K+ atau kanal ion Na

+.

Namun demikian ada juga beberapa kanal ion yang memiliki afinitas terhadap lebih dari satu

ion. Pembukaan dan penutupan kanal ion dapat diatur oleh suatu senyawa kimia, sinyal

elektrik, atau kekuatan mekanik, tergantung pada jenis kanalnya. Dengan mengatur dan

http://en.wikipedia.org/wiki/Receptor_theory


mengontrol aliran ion, kanal ion dapat menjaga muatan negatif yang dimiliki oleh sel pada

kondisi istirahat. (2)

Obat yang berbeda ditemukan dapat merangsang aliran ion melalui kanal ion, dan

pekerjaan selanjutnya menunjukkan bahwa hal ini terjadi karena obat terikat pada keadaan

terbuka di kanal ion. Temuan ini menjadi dasar untuk teori two state. Pada kesetimbangan

antara dua reseptor Ri dan Ra dan pengikatan ligan A diperlihatkan sebagai berikut:

[7]

L menggambarkan proporsi relatif antara Ri dan Ra, disebut konstanta alosterik

(yaitu, L = (Ra / Ri)). Hubungan konstanta kesetimbangan untuk Ri dari reseptor dan ligan ini

diasumsikan sebagai K, dan untuk bentuk Ra dari reseptor dan ligan A sebagai αK. Dengan

demikian, faktor pembeda untuk perbedaan dalam afinitas A untuk dua bentuk reseptor

diberikan oleh α (Gambar 4) . (1)

Ligan secara umum dapat mengikat salah satu konformasi protein, ikatan tersebut

menghilangkan konformasi awal, yakni dari dua bentuk yang mengalami keseimbangan

dinamis menjadi bentuk yang lebih khusus. (1)

Teori two-state penting untuk memahami fungsi reseptor, karena menawarkan

mekanisme molekuler dan mekanisme kimia untuk obat yang secara aktif mengubah sistem

fisiologis. Obat yang memiliki afinitas yang berbeda untuk dua konformasi protein dapat

mengubah proporsi relatif protein ini dalam sistem.

Gambar 4. Teori two state. A. Diagram skematik yang menggambarkan reseptor dalam dua

keadaan konformasi yakni aktif (Ra) dan inaktif (Ri) berdasarkan interaksinya dengan protein

membran lain. B. Interaksi obat A dalam sistem reseptor two-state. Afinitas dari A dalam

keadaan inaktif adalah K. Afinitas untuk keadaan aktif dipengaruhi oleh faktor α. (1)

Gagasan besar kedua yang mengubah teori reseptor adalah bahwa beberapa reseptor

pada membran mentranslokasi dalam ruang membran dua dimensi dan berinteraksi dengan


ikatan membran protein lainnya untuk memulai terjadinya fungsi fisiologis. Ide ini, pertama

kali diusulkan oleh Pedro Cuatrecasas, dimana menggambarkan model heterotrimerik kerja

obat yang terdiri dari obat, reseptor, dan ikatan membran protein kopling yang berkaitan

dengan derajat yang berbeda pada pengikatan obat . Secara umum, ada banyak sistem

reseptor yang terdiri dari reseptor untuk ligan kimia (pengenalan dan unit transduksi) berada

dalam setidaknya dua keadaan dan yang berinteraksi secara berbeda (tergantung yang mana

yang mendominasi dua fase) dengan protein membran lain. Jenis sistem ini (kompleks ligan-

reseptor heterotrimerik ganda) sering terdapat dalam reseptor biologi. Sistem heterotrimerik

yang paling umum adalah reseptor 7-transmembran (7TM). Reseptor ini berada pada

membran sel dan merupakan salah satu yang utama. Jika bukan tipe utama, maka merupakan

portal informasi untuk sel dan bahan kimia ekstraseluler. Model reseptor 7-transmembran,

yang merupakan suatu model kompleks, menguraikan kesetimbangan dinamis antara reseptor

dan protein yang terikat membran yang disebut G-protein, yang digunakan untuk

mengaktifkan efektor berbagai sel . (1)

Reseptor yang terikat protein G merupakan family terbesar dari reseptor membran sel.

Reseptor ini menjadi mediator dari respon seluler berbagai molekul, seperti ; hormon,

neurotransmitter, mediator lokal, dll. Reseptor terikat protein G merupakan suatu rantai

polipeptida tunggal, yang keluar masuk sel hingga 7 kali, sehingga dikatakan memiliki 7-

transmembran . (2)

G-protein itu sendiri merupakan protein heterotrimerik yang memiliki aktivitas enzim

intrinsik untuk degradasi guanosin trifosfat dan yang juga dapat memisahkan pada saat

aktivasi oleh reseptor. Subunit yang dipisahkan bermigrasi ke efektor seperti enzim adenilat

siklase atau berbagai kanal ion untuk menginduksi respon sel. Hal ini menjelaskan bahwa

respon fisiologis berasal dari aktivasi protein G-reseptor, bukan RaG atau A Ra G. A Ra G

adalah kompleks terner antara reseptor, obat, dan G-protein --- maka dinamakan model

kompleks terner . (1)

Konsep kompleks terner dapat digeneralisasi untuk pembentukan reseptor

heterotrimetrik, yang terdiri dari obat, reseptor, dan protein lain yang spesifik untuk reseptor.

Dengan demikian reseptor protein 7-transmembran lain bisa saja merupakan reseptor identik

lain (homodimers reseptor) atau subunit dari reseptor lain (heterodimer reseptor) atau protein

lainnya. Untuk inti protein, jenis lain mungkin bisa berupa DNA. Dalam semua kasus,

gagasan tentang jenis terner sangat memudahkan selektivitas dimana sel dapat memilih sinyal

yang masuk dan merupakan metode yang baik untuk amplifikasi. (1)


C. Model Matematika Teori Reseptor

1. Dasar-Dasar Pemodelan Matematis Sistem Reseptor Secara Umum

Salah satu cara untuk memahami kinerja suatu sistem yang kompleks adalah dengan

membuat model matematisnya. Terdapat aspek-aspek tertentu dari model ini yang bisa

digunakan untuk sistem yang sederhana maupun kompleks. Sebagai contoh, model sederhana

dari kompleks terner untuk reseptor 7TM bisa dituliskan sebagai A R

, - , - , - , - , - [8]

Langkah pertama adalah menurunkan nilai dari konstanta kesetimbangan (equilibrium

constants), yang biasanya dihubungkan dengan konstanta asosiasi dalam suatu reaksi kimia,

yaitu hasil bagi antara produk akhir dengan reaktan, sehingga diperoleh persamaan berikut:

K ,A R-

,A-,R- dan K

,A R G-

,A R-,G- [9]

Selanjutnya, nilai dari reaktan (dalam hal ini adalah reseptor) dinyatakan dalam

bentuk matematis. Untuk sistem ini, konsentrasi total reseptor ([R]total) terdistribusi antara

reseptor yang berikatan dengan ligan ( ,A R ) , reseptor dalam bentuk kompleks terner

(,A R G-), dan reseptor bebas ([R]):

, - , - , - , - [10]

Oleh karena itu, untuk menurunkan suatu persamaan untuk rasio dari spesi-spesi yang

diinginkan, masing-masing spesi tersebut harus dinyatakan dalam istilah umum yang ada

pada persamaan awal. Sebagai contoh, persamaan rasio yang berguna untuk sistem yang

dijelaskan di atas adalah jumlah dari kompleks terner (,A R G-) yang diproduksi oleh obat

A sebagai fraksi dari jumlah total reseptor ([R]total). Dengan menggunakan rasio ini maka kita

akan dapat memperkirakan respon dari obat A, apabila kompleks terner yang terbentuk

merupakan unsur penghasil respon (response-producing element).

Dari persamaan yang menjelaskan tentang K1 dan K2 di atas, dapat dilakukan pengaturan

ulang untuk menyatakan ,A R dan [R] dalam bentuk (,A R G-):

,A R- ,A R G-

K ,G- dan ,R-

,A R G-

K K ,G- [11]

Dengan mensubstitusi ,A R dan [R] pada persamaan awal, maka akan menghasilkan

persamaan berikut:

K2 K1


, - , - ( , -⁄ , - , - ⁄ ) [12]

Sehingga kita dapat membuat persamaan rasio antara kompleks terner yang diproduksi obat

A dengan konsentrasi total reseptor (,A R G- , -) sebagai berikut:

,A R G-

, -

,A R G-

, - ( , -⁄ , - , - ⁄ ) [13]

Parameter K1 dan K2 berguna dalam tahap awal pembentukan/konstruksi model, karena

jumlah konstanta asosiasi keseluruhan untuk reaksi multistage secara sederhana merupakan

hasil dari konstanta asosiasi individu. Sebagai contoh, jumlah konstanta keseluruhan untuk

suatu reseptor terisomerisasi dari ikatan [A] dengan [R] hingga menjadi produk akhir

A R dikendalikan oleh konstanta asosiasi K1, K2, dan K3:

,A- ,R- ,A R- ,A R - ,A R - [14]

Apabila persamaan tersebut diformulasikan menggunakan istilah yang berkaitan

dengan konsentrasi obat, akan lebih berguna apabila kita merubah konstanta kesetimbangan

(equilibrium constants) menjadi resiprokal dari konstanta asosiasi (resiprokal konstanta

asosiasi adalah konstanta disosiasi kesetimbangan untuk kompleks obat-reseptor), karena

resiprokal konstanta asosiasi ini mengandung unit konsentrasi dan bisa langsung disamakan

dengan konsentrasi obat yang digunakan dalam persamaan. Sebagai contoh, resiprokal

konstanta asosiasi menyatakan konsentrasi obat yang membuat proses menjadi jenuh sebesar

setengah dari nilai maksimal. Oleh karena itu, 1/K1 dinotasikan sebagai KA dan merupakan

skala untuk konsentrasi obat yang menghasilkan efek (yaitu ketika [A]/KA = 1, dimana obat

terdapat pada reseptor pada suatu konsentrasi dimana obat terikat pada setengah populasi dari

reseptor). Pada kondisi ini, maka diperoleh persamaan berikut (Persamaan 15):

,A R G-

,R-

,A- KA (,G- KG⁄ )⁄

,A- KA ( (,G- KG⁄ )) ⁄ [15]

Pada Gambar 5, ditunjukkan produksi kompleks terner ,A R G- yang dinyatakan sebagai

fraksi dari [R] berdasarkan persamaan di atas dan efek dari perbedaan konsentrasi [G] pada

sistem reseptor. Dari gambar dapat dilihat bahwa peningkatan jumlah G akan membuat

sistem menjadi lebih sensitif terhadap agonis.

K1 K2 K3


Gambar 5. (A) Kurva dosis-respon yang dibuat berdasarkan Persamaan 15 untuk aktivasi reseptor oleh agonis

dengan adanya variasi konsentrasi dari protein G. Reseptor, agonis, dan protein G membentuk kompleks terner.

(B) Efek dari kuantitas/jumlah dari protein G pada afinitas yang terobservasi dari agonis pada sistem (atau dapat

juga dinyatakan sebagai sensitivitas yang terobservasi dari sistem terhadap agonis). Apabila rasio protein G

dengan reseptor meningkat, maka potensi agonis juga meningkat.

Teknik atau metode lainnya dalam membuat model matematis sistem reseptor adalah

identifikasi ekuivalen. Sebagai contoh, adsorpsi isoterm Langmuir seperti terlihat pada

Persamaan 16 memiliki karakteristik asymptote maksimal yang dinotasikan dengan M dan

sensitivitas yang dinotasikan dengan KA.

,A- M

KA [16]

Notasi KA menyatakan lokasi kurva dosis-respon sepanjang sumbu konsentrasi dan

juga potensi obat serta sensitivitas sistem. Dengan menggunakan analogi untuk Persamaan

15, maka akan menghasilkan faktor sensitivitas (dinotasikan sebagai Kobs):

Kobs KA

( (,G- KG⁄ )) [17]

Pemodelan matematis ini menghasilkan hubungan fisiologis yang cukup bermakna,

yang menunjukkan bahwa sensitivitas terobservasi dari proses terbentuknya kompleks obat-

reseptor akan lebih tinggi dibandingkan dengan yang dikendalikan oleh konstanta disosiasi

kesetimbangan dari kompleks obat-reseptor (KA). Semakin tinggi konsentrasi dari protein

coupling sekunder ([G]), maka proses terjadinya ikatan semakin cepat, yang pada akhirnya

akan mempercepat reaksi antara obat dengan reseptor. Dengan kata lain, semakin kecil nilai

KG, maka rangsangan dari coupling sekunder akan semakin besar dan menyebabkan

peningkatan potensi dari obat A. Hal ini terlihat pada kurva dosis-respon pada Gambar 5 (A).

Efek dari [G]/KG pada potensi obat A terlihat pada Gambar 5 (B).


2. Keberbalikan Mikroskopik

Konsep lain yang sangat bermanfaat dalam merancang model reseptor adalah

keberbalikan (reversibilitas) mikroskopik. Secara umum, konsep ini mengacu pada fakta

bahwa jalur berbeda menuju spesi tertentu seharusnya memiliki nilai energi yang sama.

Konsep ini diperkenalkan oleh Jeffries Wyman pada tahun 1975 dalam paper yang berjudul

The Turning Wheel: A study in steady states. Ketika suatu sistem berada dalam

kesetimbangan termodinamik, prinsip dari kesetimbangan mikroskopik menyatakan bahwa

kecepatan ke arah maju dan ke arah mundur untuk setiap tahapan elementer atau dasar

haruslah sama (Wyman, 1975).

Contoh untuk kasus transisi sederhana satu tahap yang diilustrasikan pada Gambar 6,

menunjukkan bahwa M.a21 = ML.a12 dan ML.a32 = MLQ.a23.

Gambar 6. Empat bentuk yang mungkin dari interaksi suatu makromolekul (M) dengan dua ligan (L dan Q)

yang masing-masing hanya mempunyai situs pengikatan tunggal dengan M

Kemudian, dapat ditarik kesimpulan bahwa a41 a34 a23 a12 = a21 a32 a43 a14 dan karena

aktivitas ligan pada arah yang berlawanan saling membatalkan, k1k2k3k4 = k-1k-2k-3k-4. Secara

general, produk atau perkalian dari beberapa nilai k atau nilai a dengan mengikuti jalur yang

searah dengan jarum jam haruslah sama dengan perkalian nilai-nilai k atau a yang mengikuti

jalur yang berlawanan dengan arah jarum jam. Ilustrasi di atas yang menggambarkan terdapat

satu situs dari makromolekul M berinteraksi dengan sejumlah ligan (L dan Q) dapat

digantikan dengan keadaan di mana terdapat satu ligan yang berinteraksi dengan sejumlah

tertentu situs pengikatan. Konsep keberbalikan mikroskopis dapat diterapkan untuk kedua

keadaan tersebut. Hal lain yang perlu menjadi catatan adalah pada ilustrasi ini, terdapat

bentuk MLQ yang tidak mungkin ada, untuk menjelaskan prinsip adanya kompetisi antara

dua atau lebih ligan (dalam ilustrasi ini adalah L dan Q) untuk situs pengikatan yang sama

(Wyman, 1975).

Pada Gambar 7, diilustrasikan penerapan konsep keberbalikan mikroskopik pada

model dua keadaan reseptor (two-state receptor model) di mana kedua konformasi reseptor

dapat berinteraksi dengan ligan (molekul obat) A.


Gambar 7. Skema ini menunjukkan penerapan konsep keberbalikan mikroskopis pada model dua keadaan

reseptor (two state receptor model)

Berdasarkan konsep keberbalikan mikroskopik, dapat dinyatakan besarnya energi bebas

untuk pengikatan ligan (molekul obat) A terhadap bentuk konformasi reseptor yang

teraktivasi (Ra) sebagai berikut :

[18]

di mana : ∆Fi = energi bebas pengikatan ligan A terhadap reseptor terinaktivasi (RI)

∆F1,2 = energi bebas pengikatan ligan A terhadap reseptor teraktivasi (Ra)

∆F2 = energi bebas konversi Ri menjadi Ra

∆F2,1 = energi bebas konversi ARi menjadi ARa

Faktor penggandengan (coupling) untuk pengaruh ligan A terhadap konversi dari

Ri menjadi Ra dapat dinyatakan sebagai :

[19]

Proses dari Ri menjadi ARa (lihat Gambar 7 bagian A) dapat melalui tahapan konversi dari

konformasi Ri menjadi konformasi Ra dengan konstanta reaksi bernilai L, serta tahap

pengikatan ligan A oleh Ra menghasilkan kompleks ARa dengan konstanta reaksi bernilai αK.

Dengan demikian, keseluruhan proses dari Ri menjadi ARa melalui tahapan ini memiliki

kontanta reaksi (Kreaksi) sebesar KαL.

Selain itu, proses dari Ri menjadi ARa juga dapat melalui tahapan pengikatan ligan A oleh Ri

mejadi ARi dengan nilai konstanta reaksi sebesar K, serta tahap konversi dari ARi menjadi

ARa dengan kosntanta reaksi sebesar X (lihat gambar 3.6 bagian B). Dengan demikian,

∆FARa ∆Fi - ∆F1,2 ∆F2 - ∆F2,1

𝛼 𝑒−(∆𝐹 𝐴𝑅𝑎𝑅𝑇

)


keseluruhan proses dari Ri menjadi ARa melalui tahapan ini memiliki kontanta reaksi

(K„reaksi) sebesar KX. Pada kondisi kesetimbangan, besarnya konstanta reaksi proses dari Ri

menjadi ARa akan sama besar tidak peduli jalur tahapan reaksi manakah yang terjadi. Oleh

karena itu, pada kondisi kesetimbangan, Kreaksi K‟reaksi, sehingga X αL.

Tinjauan lebih lanjut mengenai persamaan untuk konstanta masing-masing tahapan

reaksi pada kondisi kesetimbangan adalah sebagai berikut :

A + Ri ↔ ARi , dengan k = K

K = , -

, -, -

Ri ↔ Ra , dengan k = L

L = , -

, -

A + Ra ↔ ARa , dengan k = αK

αK , -

, -, -

ARi ↔ ARa , dengan k αL

αL , -

, -

Persamaan konservasi dinyatakan sebagai berikut :

[20]

Terdapat parameter lain yang dinyatakan sebagai p di mana p merupakan istilah untuk efek

obat atau jumlah kompleks reseptor aktif yang dihasilkan oleh obat A. Parameter p

dinyatakan melalui persamaan :

[21]

Untuk menurunkan lebih lanjut persamaan untuk parameter p tersebut, terlebih dahulu

diturunkan persamaan untuk [Ri], [Ra], dan [ARi] yang dinyatakan sebagai [ARa].

αL = , -

, -

[ARi] = , -

[22]

αK = , -

, +, -

[Ra] = , -

, - [23]

K = , -

, +, -

[Ri] = , -

, - =

, -

, - [24]

[R] = [Ri] + [Ra] + [ARi] + [ARa]

p = ,𝐴𝑅𝑎-

,𝑅- =

,𝐴𝑅𝑎-

,𝑅𝑖- ,𝑅𝑎- ,𝐴𝑅𝑖- *𝐴𝑅𝑎-


Substitusi persamaan 22, 23, dan 24 ke dalam persamaan parameter p menghasilkan :

[25]

Konversi konstanta asosiasi L dan K menjadi konstanta kesetimbangan disosiasi

dengan satuan konsentrasi (Kact = 1/L dan Ka = 1/K) menghasilkan persamaan 26:

[26]

Dari persamaan ini, dapat teramati bahwa konstanta kesetimbangan dari kurva dosis-respon

(Kobs) adalah :

[27]

Melalui persamaaan ini, terlihat bahwa semakin besar selektivitas yang dimiliki obat terhadap

konformasi reseptor yang teraktivasi (semakin besar nilai α), berarti obat tersebut semakin

poten. Secara alternatif, semakin besar jumlah reseptor aktif yang berada dalam sistem (yaitu

semakin kecil nilai Kact atau semakin besar nilai L), semakin tinggi potensi yang dimiliki obat

A.

D. Model KompleksTerner dari Reseptor 7-TM

Sejumlah besar reseptor untuk hormon, neurotransmiter, dan autocoid berada di

bagian luar membran sel dan mentransmisikan informasi dari bagian ekstraseluler ke

intraseluler. Reseptor ini tersusun seperti loop yang melintasi membran sel sebanyak tujuh

p = ,𝐴𝑅𝑎-

,𝑅𝑖- ,𝑅𝑎- ,𝐴𝑅𝑖- *𝐴𝑅𝑎-

= ,𝐴𝑅𝑎-

,𝐴𝑅𝑎-

𝛼𝐿𝐾,𝐴-

,𝐴𝑅𝑎-

𝛼𝐾,𝐴- ,𝐴𝑅𝑎-

𝛼𝐿 ,𝐴𝑅𝑎-

=

𝛼𝐿𝐾,𝐴-

𝛼𝐾,𝐴-

𝛼𝐿

=

𝛼𝐿𝐾,𝐴-

𝐿

𝛼𝐿𝐾,𝐴-

𝐾,𝐴-

𝛼𝐿𝐾,𝐴- 𝛼𝐿𝐾,𝐴-

𝛼𝐿𝐾,𝐴-

= 𝛼𝐿𝐾,𝐴-

𝐿 𝐾,𝐴- 𝛼𝐿𝐾,𝐴-

p = 𝛼

𝐾𝑎𝑐𝑡 𝑥

𝐾𝑎,𝐴-

𝐾𝑎𝑐𝑡

𝐾𝑎,𝐴- 𝛼

𝐾𝑎𝑐𝑡

𝐾𝑎,𝐴-

=

,𝐴-

𝐾𝑎𝑥

𝛼

𝐾𝑎𝑐𝑡,𝐴-

𝐾𝑎.

𝛼

𝐾𝑎𝑐𝑡/

( 𝐾𝑎𝑐𝑡)

𝐾𝑎𝑐𝑡

Kobs = 𝐾𝑎

(𝛼

𝐾𝑎𝑐𝑡)


kali (Gambar 7), sehingga disebut reseptor 7-TM (7-transmembran).(1)

G Protein-Coupled

Receptors (GPCRs) juga di sebut sebagai reseptor 7-TM atau reseptor heptaheliks. Domain

terminal amino ekstraseluler berisi sisi glikosilasi potensial n-linked di reseptor. Karboksi-

terminal pada ujung sitoplasmik terlibat dalam kopling ke protein-G dan memiliki sisi

palmitoilasi ( residu sistein ) dan sisi fosforilasi (residu serin dan treonin), keduanya terlibat

dalam proses desensitasi reseptor.(3)

Gambar 7. Gambaran reseptor 7TM. Protein reseptor ini berfungsi sebagai penghubung komunikasi sel dengan

lingkungannya. Ini terdiri dari tiga ekstraseluler dan tiga intraseluler loop protein dan melintasi membran

sebanyak tujuh kali. Hormon dan bahan kimia lainnya berinteraksi dengan reseptor dari bagian ekstraseluler,

dan keberadaan bahan tersebut dirasakan oleh reseptor, sehingga terjadi perubahan konformasi ke loop

intraseluler dan sitoplasma sel.

Mayoritas transduksi transmembran sinyal dimediasi oleh G protein-coupled receptors

(GPCRs). Selain itu, GPCRs adalah transduser sinyal utama untuk indera penglihatan dan

penciuman. Berdasarkan urutan kunci tertentu, GPCRs dapat dibagi menjadi tiga subfamilies


utama, reseptor yang berhubungan dengan rhodopsin (tipe A), reseptor terkait dengan

reseptor kalsitonin (tipe B), dan reseptor yang terkait dengan reseptor metabotropic (tipe C).

Dari jumlah tersebut, subfamili rhodopsin adalah yang terbesar dan paling banyak diteliti.

Model kompleks terner ini dikembangkan pada tahun 1980 oleh DeLean dan

Leikowitz dan diteruskan 12 tahun kemudian oleh kelompok yang sama. Model ini berfungsi

sebagai template untuk model reseptor pada umumnya yang memiliki dua prinsip umum

yaitu adanya reseptor dalam keadaan konformasi yang berbeda dan interaksi reseptor dengan

protein terikat membran lainnya melalui translokasi difusi.

Model pepanjangan dari kompleks terner juga memperhitungkan efek yang berbeda

dari kelompok obat (agonis penuh, agonis parsial, antagonis netral, dan agonis terbalik) pada

reseptor sinyal. Model ini mengusulkan bahwa reseptor yang ada dalam kesetimbangan dari

dua negara keadaan fungsional : keadaan tidak aktif (R) dan aktif (R*). Dengan adanya

agonis, tingkat aktivitas reseptor basal ditentukan oleh keseimbangan antara R dan R*.

Efikasi ligan ini dianggap sebagai cerminan dari kemampuan mereka untuk mengubah

keseimbangan antara dua keadaan ini. Kebanyakan sifat GPCRs dapat dijelaskan dengan

model ini, beberapa penelitian menunjukkan bahwa model yang lebih kompleks mungkin

diperlukan (ditinjau oleh Kenakin).(4)

Versi termodinamika lengkap dari kompleks terner ditemukan oleh Weiss, Morgan,

dan Lutz, yang ditunjukkan pada Gambar 8. Model ini mencakup tiga interaksi dasar:

1. Kesetimbangan dinamik antara reseptor aktif dan reseptor inaktif (I)

2. Interaksi reseptor dengan protein G (II)

3. Pengaruh ikatan obat terhadap kedua interaksi tersebut (III)

Gambar 8. Model "sistem" reseptor 7TM. Model ini menunjukkan bagaimana reseptor dapat berada dalam

bentuk aktif ([Ra]) dan tidak aktif ([Ri]) serta bagaimana interaksinya dengan obat [A] (I). Reseptor juga dapat

berinteraksi dengan membran terikat protein G (II), dan obat dapat mempengaruhi interaksi ini (III). Hasilnya

adalah termodinamik berbentuk kubus yang dikontrol oleh sejumlah konstanta kesetimbangan.


Hal yang penting dari kompleksitas model ini yaitu menggambarkan motif umum

dalam model reseptor. Secara spesifik, model dapat diklasifikasikan atas dasar

kompleksitasnya (yaitu jumlah parameter yang diperlukan untuk mendefinisikan model) dan

juga berdasarkan seberapa mudah parameter dapat diidentifikasi (Gambar 9).

Gambar 9. Spektrum tipe model matematis untuk sistem biologis. Sumbu dari kiri ke kanan menggambarkan

kompleksitas model, dan sumbu vertikal menggambarkan kemampuan eksperimen untuk memperkirakan

parameter. Oleh karena itu, model yang sangat kompleks dengan banyak parameter yang tidak dapat dengan

mudah diperkirakan disebut heuristik dan deskriptif, sedangkan model sederhana dengan beberapa parameter

yang dapat diperkirakan disebut parsimonious.

Berdasarkan gambar tersebut diketahui ada 4 model kompleks terner, yaitu :

1. Model karikatur sistem biologis

a. Sistemnya baru sedikit yang diketahui

b. Dapat disesuaikan dengan kebutuhan

c. Sederhana dan dapat sedikit diestimasi

2. Model simulasi

a. Membutuhkan banyak parameter untuk menggambarkan situasi eksperimen

b. Masing-masing parameter dapat diestimasi

c. Dapat menggambarkan kondisi nyata

3. Model parsimonious

a. Sangat sederhana

b. Tidak dapat menggambarkan kondisi eksperimen secara lengkap

c. Asumsi tidak mampu menggambarkan mekanisme dari kondisi nyata

4. Model heuristik

a. Model yang sangat kompleks


b. Karena membutuhkan parameter yang sangat banyak, maka tidak mungkin

memberikan simulasi data yang berarti

c. Model ini dapat berguna untuk menentukan perilaku unik dari sistem kompleks

sehingga dapat memberikan wawasan tentang kompleksitas sistem biologis

d. Merupakan model kubik komplek terner

e. Mampu menggambarkan fitur lain dari sistem reseptor, yaitu :

Adanya variasi spesies reseptor.

Reseptor membran protein kompleks yang dapat ada secara termodinamik harus

diperhatikan bahwa itu berbeda dengan obat yang terikat.

Kecuali α, , dan , semua sama dengan unit dalam model sebelumnya, ikatan

obat dengan sistem reseptor ini akan mengubah distribusi relatif reseptor antara Ri,

Ra, RiG, RaG, ARiG dan ARaG.

f. Menjadi model molekul efikasi obat yang mendefinisikan kemampuan obat untuk

mengubah interaksi reseptor dengan protein lain dalam sistem reseptor.

E. Model Operasional dari Aksi Obat

Pengaplikasian mekanisme aksi obat secara teoritis dan sederhana dikembangkan oleh

orang ilmuan yaitu Sir James Black dan Paul Leff, yang disebut dengan “Model

Operasional”. Dalam model ini, perhitungan yang digunakan didasarkan atas apa yang ingin

diobservasi dan bukan didasarkan atas apa yang dipercaya terjadi pada level molekular. Dari

permodelan ini diperoleh suatu hasil perhitungan matematis dari kumpulan data pengamatan

yang kemudian dapat digunakan untuk menyimpulkan mekanisme molekular yang terjadi.

Observasi awal yang dilakukan menyatakan bahwa kurva dosis terhadap respon obat

menghasilkan suatu kurva yang berbentuk hiperbola. Dampak perhitungan secara matematis

dari fenomena ini karena ikatan obat dengan reseptor adalah suatu proses yang menghasilkan

kurva hiperbola, dan juga hubungan antara konsentrasi dari ikatan kompleks antara obat

dengan reseptor terhadap respon yang dihasilkan, juga menghasilkan suatu kurva berbentuk

hiperbola. Oleh sebab itu, respon terhadap obat (dinotasikan dengan Ea) dapat dibuat suatu

persamaan secara umum seperti berikut ini :

, - , -

(, - ) , - [28]

dimana,

A = konsentrasi obat yang diberikan

KA = konstanta kesetimbangan dissosiasi kompleks obat- reseptor

Em = respon maksimal yang dihasilkan


Rt = konsentrasi total dari reseptor

KE = parameter operasional, menyatakan konsentrasi kompleks obat dengan reseptor yang

menghasilkan setengah dari respon maksimal yang dihasilkan

Black dan Leff kemudian mengajukan suatu konstanta yang digunakan untuk

menyatakan kemampuan dari agonis dan sistem yang menghasilkan respon terhadap agonis

tersebut. Konstanta ini dinotasikan dengan τ yang sama dengan [Rt] / KE. Jaringan dengan

nilai densitas reseptor atau mekanisme translasi yang efisien untuk konversi ikatan reseptor

ke jaringan, yang tinggi (misalkan, dengan harga KE yang rendah) akan memiliki kapasitas

transduksi yang tinggi untuk reseptor agonis (nilai τ yang tinggi). Hal yang sama juga terjadi

pada obat yang sangat berkhasiat, akan memberikan sinyal besar untuk jaringan pada reseptor

yang didudukinya dan ini akan tercermin pada harga KE yang kecil. Dengan demikian, harga

KE dipengaruhi oleh jaringan dan juga efikasi dari aspek spesifik pada reseptor agonis.

Berdasarkan hal tersebut maka Persamaan 28 dapat dituliskan kembali menjadi :

, -

( ), - [29]

Hal ini menggambarkan bahwa reseptor agonis dinyatakan dalam dua fungsi hiperbola,

yaitu pertama pengikatan obat terhadap reseptor dan yang kedua pengikatan dari kompleks

obat dengan reseptor dengan jaringan yang menghasilkan respon stimulus yang akan diamati

(Gambar 10). Penting untuk diketahui bahwa “Model Operasional” tidak membutuhkan

konstanta yang khusus untuk memperkirakan efikasi dari reseptor agonis. Sebaliknya,

konstanta τ menggambarkan efisiensi dengan sistem reseptor yang menguatkan stimulus dari

reseptor tersebut ([Rt] dan KE) dan juga kemampuan intrinsik agonis untuk merangsang

reseptor (komponen spesifik agonis dari KE).

Gambar 10. Hubungan antara pendudukan reseptor dan konsentrasi obat (bawah, log [A] dengan [AR]), antara

pendudukan reseptor dan respon (kiri, [AR] dengan E) dan antara log dosis dan respon (kanan log [A] dengan

E). Mengikuti model operasional dari aksi obat.


“Model Operasional” juga digunakan untuk menentukan fenomena-fenomena umum

yang terjadi dari suatu hasil observasi, misalkan ketika agonis kuat tidak mampu

menghasilkan respon yang maksimal. Asimtot maksimal dari suatu respon obat dapat

diperoleh dengan memasukkan harga [A] ke Persamaan 29. Berdasarkan hal tersebut, respon

maksimal yang dapat dihasilkan oleh reseptor agonis itu adalah :

[30]

Oleh karena itu, untuk reseptor agonis dengan efikasi yang rendah (misalkan harga KE

tinggi), agonis parsial akan terjadi pada beberapa jaringan (dimana [Rt] rendah) dan full

agonis pada sisi jaringan yang lainnya (dimana harga [Rt] tinggi).

Sinopsis

Model untuk aksi obat telah mengisyaratkan konsep reseptor selama berabad-abad.

Studi awal yang dikemukakan oleh Langley dan Ehrlich mendefinisikan secara

operasional reseptor dan, kemudian, Clarck mendefinisikan teori dalam istilah

matematika.

Ariens merupakan orang yang pertama kali dianggap berhasil. Stephenson

memperkenalkan konsep stimulus-respon dan merevolusi teori reseptor yang telah

ada.

Two state teori juga sangat mempengaruhi teori reseptor, gagasan itu selektif

mengikat obat-obatan untuk dua jenis yang mempengaruhi satu sama lain dapat

menyebabkan perubahan dalam keadaan kesetimbangan stabil dari jenis yang

ditawarkan secara molekular untuk suatu khasiat.

Konsep reversibilitas mikroskopis dan konservasi spesies dapat digunakan untuk

membangun model matematika dari setiap sistem reseptor.

Model operasional dari aksi obat dapat digunakan untuk menentukan sistem

independen aksi obat yang konstan dari sistem fungsional, tanpa memerlurlukan

definisi mekanisme molekuler.

KESIMPULAN

1. Model untuk aksi obat : konsep reseptor, dimana hubungan obat dan reseptor di

gambarkan dalam model persamaan matematika.


2. Two state teori sangat mempengaruhi teori reseptor, yang menjelaskan bentuk inaktif

dan bentuk aktif dari suatu reseptor.

3. Model kompleks Terner menunjukkan model aktivasi reseptor yang terkopel dengan

protein G serta pengaruh ikatan obat terhadap aktivasi reseptor.


DAFTAR PUSTAKA

1. Terry Kenakin. 1996. Molecular Pharmacology : A Short Course. Blackwell Sience

Ltd : England

2. Zullies Ikawati. 2008. Farmakologi Molekuler. Gadjah Mada University Press :

Yogyakarta

3. Ulrik Gether & Brian K. Kobilka . Minireview : G Protein-coupled Receptors , J. Bio

Chem Vol. 273. No. 29-1998. pp. 17079.

4. Camille Georges Wermuth (Ed.), 2008. The Practice of Medicinal Chemistry ,

Elsevier : London . pp. 99.